Atmosphärenchemie 07.03.2022, 07:00 Uhr

Neue Einblicke: Wie Waldbrände der Ozonsicht schaden

Wenn Waldbrände heftiger verlaufen und häufiger werden, könnten sie die Regeneration der Ozonschicht über Jahre hinweg verlangsamen, warnen Forscher. Sie enthüllen jetzt Details auf molekularer Ebene.

Waldbrand

Emissionen aus Waldbränden können die Ozonschicht zerstören.

Foto: panthermedia.net/Mironovfoto

Derzeit sind Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), also Chemikalien wie alte Kühlmittel, die im Rahmen des Montrealer Protokolls verboten wurden, bekanntlich die Hauptursache für den Ozonabbau. Nun haben Atmosphärenchemiker des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge herausgefunden, dass der Rauch von Waldbränden chemische Reaktionen in der Stratosphäre auslöst, was zur Zerstörung des Ozons führen kann. Ihnen ist es erstmalig gelungen, einen chemischen Zusammenhang zwischen dem Rauch von Waldbränden und dem Abbau der Ozonschicht herzustellen.

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Chemische Veränderungen in der Ozonschicht

Zum Hintergrund: Bereits im März 2020, kurz nachdem gigantische Waldbrände in Australien gelöscht wurden oder ausgegangen waren, beobachteten Forscher einen starken Rückgang des Stickstoffdioxid-Gehalts in der Stratosphäre. Hier handelt es sich um den ersten Schritt einer chemischen Kaskade, die zum Ozonabbau führt. Laut Studie stand der Rückgang des Stickstoffdioxids direkt mit der Rauchmenge in Korrelation, die von den Bränden in die Stratosphäre gelangt ist. In ihre Veröffentlichung schätzen die Autorinnen und Autoren, dass die Ozonsäule durch diese rauchbedingte Chemie um 1% abgebaut wurde.

Diese Zahl ist allein nicht aussagekräftig. Um sie in einen Kontext zu rücken, arbeitet die MIT-Arbeitsgruppe mit folgendem Vergleich: Der schrittweise Ausstieg aus der Produktion Ozon-schädigender Gase durch weltweite Abkommen hätte im letzten Jahrzehnt zur Verbesserung der Werte um 1% geführt. Waldbrände hätten diese „hart erkämpften diplomatischen Erfolge für einen kurzen Zeitraum zunichtegemacht“, so die Einschätzung der Forschenden. Sie fürchten, mehr Waldbrände könnten Bestrebungen zur Rettung der Ozonschicht konterkarieren.

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Dem Ozonabbau auf der Spur

Noch ein Blick auf die Details. Seit Jahren ist bekannt, dass starke Waldbrände Pyrocumulonimbus, also hoch reichende Gewitterwolken, erzeugen. Sie können bis in die Stratosphäre gelangen, die zwischen 15 und 50 Kilometern über der Erdoberfläche liegt. Der Rauch der australischen Waldbrände reichte weit in die Stratosphäre hinein, bis zu 35 Kilometer hoch.

Im Jahr 2021 stellten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler fest, dass der angesammelte Rauch Teile der Stratosphäre um bis zu zwei Grad Celsius erwärmte – und der Effekt hielt sechs Monate lang an. Die Studie fand auch Hinweise auf eine Zerstörung der Ozonschicht in der südlichen Hemisphäre nach den Bränden.

Wissenschaftler fragten sich, ob der Rauch der Brände das Ozon durch eine ähnliche Chemie wie vulkanische Aerosole abgebaut haben könnte. Große Vulkanausbrüche können ebenfalls bis in die Stratosphäre vordringen, und 1989 entdeckten Chemiker, dass Partikel solcher Eruptionen durch eine Reihe chemischer Reaktionen Ozon zerstören können. Wenn sich die Partikel in der Atmosphäre bilden, sammeln sie Feuchtigkeit auf ihrer Oberfläche. Dann reagieren sie mit den in der Stratosphäre zirkulierenden Chemikalien, einschließlich Distickstoffpentoxid, und Salpetersäure entsteht.

Normalerweise reagiert Distickstoffpentoxid im Sonnenlicht und bildet verschiedene Stickstoffarten, darunter Stickstoffdioxid, eine Verbindung, die sich mit chlorhaltigen Chemikalien in der Stratosphäre verbindet. Wenn vulkanischer Rauch Distickstoffpentoxid in Salpetersäure umwandelt, sinkt das Stickstoffdioxid. Chlorverbindungen nehmen einen anderen Weg und verwandeln sich in Chlormonoxid, den wichtigsten vom Menschen verursachten Wirkstoff, der das Ozon zerstört.

Mit Simulationen dem Ozonabbau auf der Spur

In der neuen Studie untersuchten MIT-Chemiker, wie sich Stickstoffdioxid-Konzentrationen in der Stratosphäre nach den australischen Bränden veränderten. Wenn diese Konzentrationen deutlich zurückgingen, wäre dies ein Zeichen dafür, dass der Rauch von Waldbränden durch dieselben chemischen Reaktionen Ozon abbaut wie bei Vulkanausbrüchen.

Forschende erfassten Stickstoffdioxid-Werte über drei Satelliten, welche die südliche Hemisphäre über unterschiedlich lange Zeiträume überwacht haben. Sie verglichen die Aufzeichnungen der einzelnen Satelliten in den Monaten und Jahren vor und nach den Bränden in Australien. Alle Datensätze zeigten einen deutlichen Rückgang des Stickstoffdioxids im März 2020. Bei einem Satelliten bedeutete der Rückgang einen Rekordtiefstand in den Beobachtungen der letzten 20 Jahre.

Um zu überprüfen, ob der Rückgang des Stickstoffdioxids eine direkte chemische Auswirkung des Brandes war, führten die Wissenschaftler atmosphärische Simulationen mit einem globalen, dreidimensionalen Modell durch, das Hunderte von chemischen Reaktionen in der Atmosphäre einbezieht, von der Erdoberfläche bis hinauf in die Stratosphäre.

Das Team speiste eine Wolke von Rauchpartikeln in das Modell ein und simulierte so, was bei den australischen Waldbränden beobachtet wurde. Forschende gingen davon aus, dass die Partikel, wie vulkanische Aerosole, Feuchtigkeit aufnahmen. Anschließend ließen sie das Modell mehrmals laufen und verglichen die Ergebnisse mit Simulationen ohne die Rauchwolke. Sie konnten ihre Hypothese bestätigen.  

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Von Michael van den Heuvel

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